Математичне моделювання та просторовий аналіз емісії парникових газів у прикордонних регіонах України

Abstract

This thesis addresses the development of mathematical models for spatial analysis of greenhouse gas (GHG) emissions in regions bordering Ukraine. The developed models give an opportunity to estimate a mass of GHG emissions that crosses a borderline due to the meteorological conditions (calm or windy) in consideration with emission sources in different locations. The mathematical models are based on the Gaussian distribution of heavy gases. The polish regions bordering Ukraine were described and the specificity of territorial distribution of GHG emission sources has been analyzed. Mathematical models for spatial analysis of GHG emissions in Energy sector were developed that consider the territorial distribution of GHG emission sources and the structure of statistical data for Polish regions: Lublin and Subcapathian. The created models consider stationary and mobile sources that are divided on line, area and point types. Spatial analysis has been carried out for the two polish voivodeships Lublin and Subcapathian, using geoinformational system – MapInfo. This spatial analysis covers the consumption of fossil fuels in such categories of the Energy sector: public electricity and heat production, manufacturing industries and constructions, transport, commercial/institutional, residential, agriculture/forestry/fisheries and others. The achieved results were presented in the form of thematic maps that contain information on GHG emissions on elementary object level (2 km x 2 km) in 2D and 3D formats. Common Polish-Ukrainian geodatabase and corresponding tools were created to carry out spatial analysis of GHG emissions. The mass of CO2 and N2O emissions that crossed the Ukrainian-Polish borderline (width – 10 km, 50 km, and 100 km) in the Energy sector has been estimated with a help of geoinformational tool based on the developed mathematical models. The achieved results were presented in the form of maps and histograms. The developed mathematical models and geoinformation technologies can be used for creation of geodistributed cadastres of GHG emissions in Polish regions and for estimating mass of other polluting heavy gases that transports through a border line as well. The technique for analysis of change in relative uncertainty of GHG emissions has been proposed. Historical change in relative uncertainty of CO2 emissions from stationary sources that the EU Member States annually estimate in their National Inventory reports has been analyzed, particularly due to the influence of two main factors – structural change in emissions and “learning process”. The examples of change in total uncertainty due to the structural change in GHG emissions considering GAINS’s emissions scenarios in consistence with the EU’s “20-20-20” targets were presented. The estimates of total uncertainty for the year 2020 were made with assumptions that relative uncertainty in GHG emissions by sectors does not change in time, and with consideration of possible future uncertainty reductions for the non-CO2 emissions, that are characterized with the high relative uncertainty. The developed mathematical models of GHG emission transport processes considering meteorological and corresponding geoinformational technology for spatial inventory of GHG emissions data were involved in the scientific research and the teaching process at the Lviv Polytechnic National University, conducting research at the System Research Institute of the Polish Academy of Sciences (Poland), monitoring of GHG emissions in the State Department of Environmental Protection in the Lviv region, the State Natural Reserve "Roztochya"; the presented technique for estimation and prediction of the relative uncertainty in GHG inventory results was used to carry out numerical experiments for the EU countries in International Institute for Applied Systems Analysis (Austria). Диссертация посвящена разработке математических моделей для осуществления пространственного анализа эмиссий парниковых газов в пограничных регионах Украины, которые дают возможность оценить перемещения масс парниковых (тяжелых) газов и загрязняющих веществ через границу. Осуществлен пространственный анализ эмиссий парниковых газов в энергетическом секторе для польско-украинской пограничной полосы с использованием геоинформационных технологий. Разработаны математические модели пространственного анализа процессов эмиссии парниковых газов в энергетическом секторе для польских воеводств Подкарпатского и Люблинского, на основе которых осуществлено пространственные инвентаризации для этих регионов. Полученные результаты для польских регионов, а также соответствующие данные с украинской стороны, использованы для пространственного анализа процессов переноса масс углекислого газа и закиси азота через линию польсько-украинской границы. Проанализированы изменения неопределенности эмиссий в энергетическом секторе в прошлом и вычислены прогнозные значения неопределенности на основе нынешних знаний о эмиссионных процессах для стран Евросоюза.Дисертація присвячена розробленню математичних моделей для здійснення просторового аналізу емісій парникових газів в прикордонних регіонах України, які дають можливість оцінити переміщення мас парникових (важких) газів та забруднюючих речовин через кордон. Здійснено просторовий аналіз емісій парникових газів в енергетичному секторі для польсько-української прикордонної смуги з використанням геоінформаційних технологій. Розроблено математичні моделі процесів емісії парникових газів в енергетичному секторі для польських воєводств Підкарпатського та Люблінського, на основі яких здійснено просторову інвентаризацію для цих регіонів. Отримані результати для польських регіонів, а також відповідні дані з українського боку використано для просторового аналізу процесів переносу мас вуглекислого газу та закису азоту через лінію польсько-українського кордону. Проаналізовано зміни невизначеностей емісій в енергетичному секторі в минулому та обчислено прогнозні значення невизначеності на основі теперішніх знань про емісійні процеси для країн Євросоюзу.